城際鐵路地下車站公共區域大跨無柱結構設計

蒙 蛟

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

傳統城際鐵路地下車站常在公共區域設置大量的結構柱,存在割裂空間、限制人流等問題。 因此,空間利用率更高,視覺效果更佳的無柱車站應用前景廣闊[1-2]。 目前,無柱結構多應用于地鐵建設上,并取得了一定的成果,如雷崇通過分析提出地下雙層島式車站較為合理的結構方案[3];李國清對各專業進行總結,提出暗挖大拱無柱車站的優缺點[4];李江樂等開展無柱大跨地鐵車站模型的地震振動臺模擬試驗[5];宋冉等計算分析裝配式地下車站結構的整體變形、局部接頭變形、結構應力和內力,驗證裝配式無柱車站結構的可靠性[6]。

城際鐵路與地鐵相比,車型、行車組織、運行速度均不相同,導致車站結構在站臺長度、寬度、層高等方面存在顯著差異[7]。 目前,在城際鐵路站中采用無柱結構的研究較少且無成熟技術可供參考。 以岐江新城站方案設計為依托,提出多種無柱斷面結構型式優化比選,以期為類似工程提供經驗參考。

1 工程概況

擬建南沙至珠海(中山)城際鐵路采用市域D 型列車、CBTC 系統,設計速度160 km/h,公交化運營。 岐江新城站為地下三層島式車站,長263 m,站臺寬12 m,基坑深27.2 m,設置2 座出入口及2 組風亭,采用明挖法施工。 為滿足公共區站臺門退臺距離和站臺層布置需要,公共區采用無柱設計,岐江新城車站總平面見圖1。

受車型、車速和設備布置等方面的限制,城際鐵路地下車站層高大于傳統地鐵車站,站臺層最為明顯,由此帶來更大的構件尺寸。 岐江新城站公共區設計無柱結構段跨度為22.9 m,頂板厚度為1.2 m,中板厚0.7 m,底板厚1.4 m,側墻厚1.2 m。 根據鉆孔揭露,場地土層自上而下可分為:第四系填土層、海陸交互相沉積層、殘積層、燕山期花崗巖,其中車站所處土層自上而下為素填土、淤泥、粉質黏土、礫質黏性土與全風化花崗巖。 岐江新城車站斷面見圖2。

圖2 岐江新城車站橫斷面(高程單位:m;其余:mm)

2 車站底板抗拔樁減跨方案

2.1 抗拔樁設計

岐江新城站屬地下三層車站,埋深較大,導致底板需承受較大浮力。 無柱結構底板缺少有效跨中支座,荷載隨跨度急劇增加,常規結構尺寸難以滿足需要,需采用相應措施降低跨中彎矩。 針對地鐵無柱車站抗浮設計,有學者提出底板設抗拔樁減跨的方案[8-9]。 為了研究比選單排和雙排抗拔樁的作用效果,提出2 種車站抗拔樁減跨方案,方案一為在底板跨中位置設置單排抗拔樁;方案二為在底板1/3 跨位置設置雙排抗拔樁,見圖3。 其中,抗拔樁樁長25 m,樁徑1.3 m,縱向間距6 m。

圖3 抗拔方案設計

2.2 計算模型及參數

采用MIDAS GTS NX 軟件進行模擬計算,按車站長度方向取單位長度建立荷載結構計算模型,將車站結構簡化為平面框架,車站結構與周圍土體間相互作用采用僅受壓地基彈簧模擬。 水壓力按地下水位處于地表位置考慮,抗拔樁采用樁體彈簧單元模擬,彈簧單元剛度按式(1)計算,有

式中,K為彈簧單元剛度;E為樁體彈性模量;A為抗拔樁樁體截面積;L為抗拔樁樁長;Z為抗拔樁縱向間距。

計算時,假定車站處于運營期,忽略地連墻承載作用,周圍荷載均由車站結構承擔,圍護結構僅作為主體結構的安全儲備。 岐江新城車站結構計算模型見圖4,模擬過程中所需參數見表1。

表1 數值計算參數

圖4 岐江新城車站結構計算模型示意

2.3 計算結果

不同抗拔樁方案下車站結構彎矩見圖5。 在底板位置設置抗拔樁時,相當于在底板增加支座,使得抗拔樁位置處底板彎矩大幅降低,且底板各位置受力均明顯改善,但頂板處受力無顯著變化。

圖5 不同抗拔樁方案下車站結構彎矩量值(單位:kN·m)

底板未設抗拔樁時,底板跨中和支座彎矩分別為9 758.3 kN·m 和12 822.2 kN·m,底板、側墻截面無法承受此荷載。 底板設雙排抗拔樁后,跨中和支座處彎矩分別減小67.5%和69.4%;底板設置單排抗拔樁比設雙排抗拔樁的方案,彎矩僅增加4.2%。 底板設置單排抗拔樁,顯著改善底板受力的同時,在施工難度和經濟性方面更具優勢。

3 無柱城際鐵路站結構斷面設計

3.1 車站結構斷面選型

相較于傳統的有柱車站,無柱車站由于立柱的取消,頂板及中板的跨度成倍增大,如何加強其承載能力,是無柱車站結構設計的重點。 有學者提出,無柱車站結構常用型式有頂板設密肋梁、頂板施作為變截面板、頂板設為拱形等型式[10-11]。 針對岐江新城站,共設計4 種結構斷面方案進行比選。

(1)變截面頂板設計

車站頂板采用變截面板,即在頂板支座處加大腋角。 設計腋角高1 m,腋角長5.1 m。 車站斷面結構見圖6。

圖6 變截面頂板車站設計斷面(單位:mm)

(2)頂板加肋梁設計

在變截面方案基礎上,車站頂板加橫向肋梁,肋梁斷面采用1 m×1 m,縱向間距設為1 m。 由于頂板加肋會影響負一層使用空間,故車站頂板上移1 m。 數值計算時,將加肋頂板等效為同剛度矩形板[12],矩形板高1.9 m。 頂板加肋梁車站斷面見圖7。

(3)拱形頂板設計

車站頂板采用拱形設計,為滿足拱頂既有管線埋設要求,車站頂部需預留一定厚度土體,故控制頂板埋深不少于2 m。 從結構力學合理拱軸線出發,為減小頂板彎矩,充分發揮混凝土材料抗壓性能,頂板起拱高度設計為2 m,埋深2.08 m。 拱形頂板車站斷面見圖8。

圖8 拱形頂板車站設計斷面(單位:mm)

(4)拱形頂板+拱形底板設計

車站頂板及底板均采用拱形設計,頂板拱高2 m,底板拱高1 m。 車站斷面見圖9。

圖9 拱形頂板+拱形底板車站設計斷面(單位:mm)

3.2 計算結果

采用MIDAS GTS NX 軟件進行模擬計算,按車站長度方向取單位長度建立荷載結構計算模型,將車站結構簡化為平面框架,車站結構與周圍土體間相互作用采用僅受壓地基彈簧模擬[13-15]。 荷載基本組合下拱形頂板車站結構斷面內力見圖10。

圖10 拱形頂板車站結構內力

由圖10 可知,車站負三層側墻底支座及底板兩端支座彎矩量值和剪力量值均較大,軸力量值較大處位于車站負三層側墻、第二層中板及底板,符合車站框架結構受力宏觀規律。 頂板由于起拱作用,使得彎矩量值降低,受力狀況得到改善。

不同結構斷面設計方案下,各車站結構特征位置處彎矩量值見圖11。

圖11 不同斷面下車站特征位置處彎矩量值

采用變截面頂板時,可改善頂板跨中位置受力,使得荷載基本組合下頂板跨中位置彎矩變為3 256.33 kN·m,相較于僅底板設立抗拔樁,彎矩降低幅度為12.35%。 但由于頂板支座處斷面增加,剛度提高,使得頂板支座處受力有略微增加。

采用頂板加肋梁可改善頂板支座受力,頂板支座位置彎矩變為3 743.51 kN·m,降低幅度為25.6%。但由于頂板跨中位置剛度增大,使得其彎矩值增大為5 280.48 kN·m,增長幅度為42.13%。

當頂板設置為拱形時,頂板跨中及支座位置受力均得到明顯減小,頂板跨中位置彎矩降低幅度為63.85%,支座位置降低幅度為51%。 且底板支座處彎矩值也有一定程度下降,降低幅度為7.85%。 當底板也設為拱形時,相較于單頂板為拱形,可進一步降低底板支座彎矩量值,但相較于單設置頂板拱形降低幅度僅為1.49%。 且頂板跨中與頂板支座處彎矩量值反而增加。 因此,推薦采用頂板設置為拱形的車站結構斷面方案。

4 結論

(1)地下三層無柱車站底板荷載極大,常規結構尺寸難以滿足需要,推薦采用抗拔樁減跨措施。 底板設雙排抗拔樁后,跨中和支座處彎矩分別減小67.5%和69.4%,相較于設雙排抗拔樁的方案,底板設置單排抗拔樁彎矩僅增加約4.2%,可顯著改善底板受力,且在施工難度和經濟性方面更具有優勢。

(2)對常規矩形頂板、變截面頂板、頂板加肋梁、頂板起拱等4 種地下三層無柱車站結構斷面形式進行比較;頂板起拱方案跨中和支座位置受力均得到明顯降低,并能改善其他構件受力,推薦優先選用頂板起拱方案。